Μια παράξενη μορφή ύλης που «χτυπά» για πάντα χωρίς εισροή ενέργειας έκανε μόλις ένα σημαντικό άλμα προς την πραγματική χρήση. Γνωστό ως κρύσταλλο χρόνου, αυτό το κβαντικό σύστημα επαναλαμβάνει την κίνησή του ατελείωτα —σαν ένα ρολόι που δεν σταματά ποτέ— και οι επιστήμονες κατάφεραν τώρα να το συνδέσουν με μια εξωτερική συσκευή για πρώτη φορά.
Συνδέοντας τον κρύσταλλο χρόνου με έναν μικροσκοπικό μηχανικό ταλαντωτή, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Aalto έδειξαν ότι μπορούν στην πραγματικότητα να ελέγξουν τη συμπεριφορά του, ανοίγοντας την πόρτα σε ισχυρές νέες τεχνολογίες. Η μελέτη, με επικεφαλής τον ερευνητή Jere Mäkinen, δείχνει πώς η ομάδα μετέτρεψε έναν κρύσταλλο χρόνου σε ένα οπτομηχανικό σύστημα.
Η φύση των κρυστάλλων χρόνου
Ένας λαμπερός κρύσταλλος παίρνει την εμφάνισή του από την ακριβή διάταξη των ατόμων του στον χώρο. Το 2012, ο βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός Frank Wilczek πρότεινε ότι ένα παρόμοιο είδος τάξης θα μπορούσε να υπάρχει όχι στον χώρο, αλλά στον χρόνο. Πρότεινε ότι ορισμένα κβαντικά συστήματα θα μπορούσαν να οργανωθούν σε επαναλαμβανόμενα μοτίβα που συνεχίζονται επ' αόριστον χωρίς να χρειάζονται ενέργεια από έξω.
Αυτά τα συστήματα, τα οποία ονόμασε κρυστάλλους χρόνου, υπάρχουν στη χαμηλότερη ενεργειακή τους κατάσταση ενώ εξακολουθούν να παρουσιάζουν σταθερή, επαναλαμβανόμενη κίνηση. Οι επιστήμονες επιβεβαίωσαν την ύπαρξή τους πειραματικά το 2016, αλλά η σύνδεσή τους με τον «έξω κόσμο» παρέμενε μια τεράστια πρόκληση.
Το πείραμα στο Πανεπιστήμιο Aalto
Για να κατασκευάσουν το σύστημα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ραδιοκύματα για να εισάγουν μαγνόνια σε ένα υπερρευστό Ήλιο-3, ψυχόμενο σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Τα μαγνόνια είναι οιονεί σωματίδια (quasiparticles) που συμπεριφέρονται ως μεμονωμένα σωματίδια. Μόλις διακόπηκε η εισροή ραδιοκυμάτων, τα μαγνόνια οργανώθηκαν σε έναν κρύσταλλο χρόνου.
Αυτός ο κρύσταλλος χρόνου συνέχισε την κίνησή του για ένα ασυνήθιστα μεγάλο χρονικό διάστημα, διαρκώντας έως και 108 κύκλους ή αρκετά λεπτά. Καθώς εξασθενούσε σταδιακά, ο κρύσταλλος χρόνου αλληλεπιδρούσε με έναν κοντινό μηχανικό ταλαντωτή. Η φύση αυτής της αλληλεπίδρασης εξαρτιόταν από τη συχνότητα και το πλάτος του ταλαντωτή.
«Η αέναη κίνηση είναι δυνατή στον κβαντικό κόσμο αρκεί να μην διαταράσσεται από εξωτερική εισροή ενέργειας, όπως με την παρατήρησή της. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ένας κρύσταλλος χρόνου δεν είχε συνδεθεί ποτέ πριν με κανένα εξωτερικό σύστημα», λέει ο Mäkinen. «Αλλά κάναμε ακριβώς αυτό και δείξαμε, επίσης για πρώτη φορά, ότι μπορείτε να προσαρμόσετε τις ιδιότητες του κρυστάλλου χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο».
Εφαρμογές στην Κβαντική Υπολογιστική
Η σύνδεση με την οπτομηχανική είναι σημαντική επειδή παρέχει έναν τρόπο ελέγχου και συντονισμού της συμπεριφοράς των κρυστάλλων χρόνου. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε τεχνολογίες όπως αισθητήρες υψηλής ακρίβειας ή βελτιωμένα συστήματα μνήμης για κβαντικούς υπολογιστές.
Οι κρύσταλλοι χρόνου διαρκούν για τάξεις μεγέθους περισσότερο από τα κβαντικά συστήματα που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος στην κβαντική υπολογιστική. Το καλύτερο σενάριο είναι ότι οι κρύσταλλοι χρόνου θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν τα συστήματα μνήμης των κβαντικών υπολογιστών για να τους βελτιώσουν σημαντικά. Θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως χτένες συχνοτήτων (frequency combs) σε συσκευές μέτρησης εξαιρετικά υψηλής ευαισθησίας.
Πηγές: sciencedaily.com